 |
Elaboration of spatial predictions together with modelling of their uncertainty for specific functions and processes of soils applying spatial statistical and machine learning methods
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
126725 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Pásztor, László |
| Title in Hungarian |
A talajok egyes funkcióira, illetve folyamataira vonatkozó térbeli predikciók kidolgozása és ezek bizonytalanságának modellezése térstatisztikai és gépi tanulási módszerekkel |
| Title in English |
Elaboration of spatial predictions together with modelling of their uncertainty for specific functions and processes of soils applying spatial statistical and machine learning methods |
| Keywords in Hungarian |
digitális talajtérképezés, talajfunkció, térbeli predikció, gépi tanulás, térstatisztika, adatbányászat, geostatisztika, geoinformatika |
| Keywords in English |
digital soil mapping, soil function, spatial inference, machine learning, spatial statistics, data mining, geostatistics, geoinformatics |
| Discipline |
| Soil sciences, soil biology, soil chemistry, soil physics (Council of Complex Environmental Sciences) | 80 % | | Ortelius classification: Soil function | | Physical geography (Council of Complex Environmental Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: Geography |
|
| Panel |
Complex agricultural sciences |
| Department or equivalent |
Institute for Soil Sciences (Centre for Agricultural Research) |
| Participants |
Árvai, Mátyás
Bakacsi, Zsófia
Farkas-Iványi, Kinga
Illés, Gábor
Koós, Sándor
Kovács, Zsófia Adrienn
Laborczi, Annamária
László, Péter
Mészáros, János
Négyesi, Gábor
Szatmári, Gábor
Takács, Katalin
Tóth, Brigitta
Tóth, Tibor
Waltner, István
|
| Starting date |
2017-12-01 |
| Closing date |
2020-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
19.936 |
| FTE (full time equivalent) |
7.36 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A talajtakaró állapotának felméréséhez, a bekövetkező változások nyomon követéséhez kapcsolódó feladatok szempontjából kiemelt fontosságú a talajokra vonatkozó ismeretek térbeli érvényességének vizsgálata, a talajtulajdonságokon túl a talajfunkciók és a talajjal kapcsolatos folyamatok regionalizálása. Az utóbbi években a térbeli talajinformációk értelmezésében és előállításában paradigmaváltás következett be. A talajjellemzők térképi megjelenése kvantitatív térbeli becslés eredménye, melyet kiegészít a predikció globális és lokális bizonytalansága. Az újonnan előállított talaj téradatok tematikájukban, azok reprezentációjában, mélységi jellegükben messze túlmutatnak a korábbi térképek tematikus tartalmain. A térképezett talajtani változókat a tematikai robosztussággal szemben a feladat-orientáltság jellemzi, ami utat nyit olyan általánosabb értelemben vett talajtérképek kidolgozásához, amelyek akár talajfunkciókat, folyamatokat regionalizálnak. Egy adott céltérkép maga is számos realizáció formájában születhet meg, amelyek tematikus tartalmuk, felbontásuk, pontosságuk, megbízhatóságuk szerint különböznek. A térbeli modellezési módszerek bizonytalanságának modellezése lehetővé teszi a predikciók összehasonlítását, értékelését, illetve optimalizálását.
Pályázatunk célkitűzése a talajok egyes funkcióira, folyamataira vonatkozó térbeli predikciók kidolgozása, illetve ezek bizonytalanságának modellezése alkalmazott matematikai és geoinformatikai módszerekre építő, digitális talajtérképezési eljárások kifejlesztésével. A bizonytalansági modelleket döntéstámogatási rendszerekben történő alkalmazhatóságukat szem előtt tartva tervezzük kidolgozni.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A talajokra vonatkozó, korábban gyűjtött, térképezések, felvételezések által szolgáltatott információk hosszú időn keresztül jól szolgálták a felmerült társadalmi igényeket annak köszönhetően, hogy döntően ez utóbbiak határozták meg gyűjtésük célját. A talaj multifunkcionalitásának széleskörű felismerése azonban éppen az adatgyűjtésre fordítható erőforrások beszűkülésével egyidőben következett be. Mindezeknek köszönhetően az aktuálisan rendelkezésre álló, illetve a felhasználók által specifikusan megkívánt információk nincsenek összhangban. Ezen probléma megoldása érdekében számos próbálkozás született a létező talajtani információk kiegészítésére, javítására, harmonizációjára és integrálására, melynek keretében kiemelt jelentőséggel bír a funkcionális, térképi alapú talajtani információk előállítása. A legkorszerűbb talajtérképezési technológiákat jellemzően elsődleges talajtulajdonságok nagy felbontású térbeli becslésére dolgozták ki. A következő lépés a célspecifikusan, feladat-orientáltan elvégzett elemzések eredményeként a felhasználói igényeket célzottan és optimálisan kielégítő talajtérképek megalkotása.
Kutatásunk alapkérdése: Milyen módon és eredményességgel van lehetőség cél-orientált digitális talajtérképezés keretében (talajtani és környezeti adatok, klasszikus talajtani tudás, modern gépi tanulási, térstatisztikai módszerek és térinformatikai környezet integrálásával) egyes talajfunkciók és folyamatok térbeli predikciójára? A térbeli becslések bizonytalanságának modellezésével az egyes predikciók lokális és globális pontosságának, megbízhatóságának becslése fogja meghatározni az eredmények minőségét és használhatóságát.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A talajokra vonatkozó térképi alapú információigény korábban is jelentős volt. Napjainkban azonban amellett, hogy jelentősen bővül, egyidejűleg jellege is változik. A talajokról gyűjtött adatok körét és az azok alapján szerkesztett térképek tematikáját döntően a talaj, korábban szinte kizárólagosan tekintetbe vett, biomassza termelésre vonatkozó funkciója határozta meg. A talajnak, mint környezeti elemnek a különböző, döntően határfelületi helyzetéből adódó funkciói ennél azonban jóval sokrétűbbek; az élet fennmaradásában és az élhető környezet megőrzésében játszott szerepét írják le különböző aspektusokból. Az átalakítást, tárolást, szűrést, tompítást, táplálást, megőrzést etc., végző funkciók kiterjednek számos anyag- és energiaforgalmi folyamatra. Feltételesen megújuló erőforrásként a talaj funkciói természeti, illetve antropogén okokból gyakran sérülnek, ezért kiemelten fontos térben folytonos, és időben folyamatos nyomon követésük. Ezen, a talajok általánosabb szolgáltatásaival, multifunkcionalitásával kapcsolatos igények térbeli adatokkal való kielégítésük szempontjából az utóbbi időben érték el azt a kritikus szintet, amelyre a kvantitatív talajtannak és talajtérképezésnek megoldásokat kell nyújtania. Ezek kidolgozása nemzetközi szinten is élvonalbeli kutatások tárgya. A pályázatunk keretében tervezett, egyes talajfunkciók, illetve a talajjal kapcsolatos folyamatok térbeli predikciójának kidolgozása, továbbá ezek bizonytalanságának modellezése alapkutatási szempontból ezért mind hazai, mind nemzetközi szinten számos nóvumot ígér. A talajok egyes, korábban nem térképezett funkcióinak, illetve folyamatainak számszerű, térbeli leírása közvetlen módon a kutatók és a döntéshozók tevékenységéhez nyújt értékes információt, közvetetten pedig a társadalom szélesebb rétegeit szolgálja a talaj funkciók és szolgáltatások fenntartásának támogatásával a fenntartható fejlődés érdekében, illetve annak keretei közt.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A talaj a földkéreg legkülső, termékeny rétege, az atmoszféra, a hidroszféra, a litoszféra és a bioszféra metszéspontjában helyezkedik el, kölcsönhatásaik közege, számos környezeti folyamat aktív vagy passzív résztvevője. A talajnak, mint környezeti elemnek a különböző, döntően határfelületi helyzetéből adódó funkciói és szolgáltatásai az élet fennmaradásában és az élhető környezet megőrzésében játszott szerepét írják le. A pontos, naprakész térbeli talajinformációkat a földhasználók, a politika formálók, a döntéshozók, a modellező közösség egyaránt igénylik. Ez az elvárás szerencsés módon egybeesik azzal a hatalmas technológiai ugrással, amely a talajra vonatkozó információk gyűjtésében és azok térbeli becslésének kivitelezésében (összességében a talajtérképezésben) az utóbbi időszakban kezdődött és jelenleg is zajlik. Kutatásunk során modern alkalmazott matematikai és geoinformatikai módszerekre építő, digitális térképezési eljárásokat tervezünk kidolgozni, amelyek segítségével a talajok egyes, korábban nem térképezett funkciói, illetve folyamatai térben nagy pontossággal leírhatók lesznek. Munkánk során a kifejlesztendő térbeli modellezési módszerekben rejlő bizonytalanság meghatározásának is fontos szerepet szánunk. A talajtakaró megcélzott jellemzőinek korszerű térbeli leírása a mezőgazdaság, a környezet-, és természetvédelem, a területi tervezés számos feladata (agrárkörnyezeti programok, öntözés, földértékelés, termésbecslés, földhasználat váltás, vízgazdálkodás, kockázatkezelési rendszerek, ökoszisztéma szolgáltatások felmérésének tervezése és támogatása) számára jelenthet majd stratégiailag is fontos támogatást.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
It is essential to study the spatial validity of soil related knowledge and to regionalize -beyond soil properties- soil functions and processes from the point of view of the tasks related to the state assessment of soil cover and the monitoring of its changes. Recently, there has been a change in the paradigm concerning the elaboration and interpretation of spatial soil information. The presentation of soil features on thematic soil maps is the result of proper spatial prediction, which is inherently supplemented with the estimated global and local uncertainty of the prediction. The newly elaborated spatial soil information goes far beyond the thematic information provided by former, legacy soil maps concerning their themes and depth representation. The mapped soil variables are characterized by goal-orientation as opposed to former thematic robustness, which fact opens ways to the elaboration of generalized soil related maps, which can regionalize soil functions and processes. A given target map can be created in multiple realizations, which differ in their thematic content, resolution, accuracy, reliability. The uncertainty assessment of the spatial inference methods makes the comparison, evaluation and optimization of the predictions possible.
The aim of our proposal is the elaboration of spatial predictions for specific soil functions and processes, furthermore the modelling of their uncertainty by the elaboration of proper digital soil mapping approaches based on applied mathematical and GI methods. The uncertainty models are planned to be compiled taking into consideration their applicability in decision support systems.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Soil related information collected during former surveys and mappings served the demands of the society with satisfaction due to the fact, that the aim of their collection was determined by the latter. The widespread recognition of the multifunctionality of the soils occurred simultaneously with the significant decrease of resources, which could be used for soil data collection. Due to these facts, the recently available information and that, specifically requested by various user groups do not necessarily concur. There have been numerous trials for the solution of this problem by the supplement, improvement, harmonization and integration of the existing soil information. In these initiatives the creation of functional, spatially inferred soil information has stressful importance. The most up-to-date soil mapping technologies were typically elaborated for the spatial prediction of primary soil properties. The next step is the compilation of soil maps, which can fulfill the societal demands target-specifically and optimally by the means goal-oriented inference methods.
Our research question is: In which way and with what success can specific soil functions and processes be spatially predicted in the frame of goal-oriented digital soil mapping (by the integration of spatial soil and auxiliary environmental information, classic soil mapping knowledge, modern machine learning and spatial statistical methods and GI environment)? By modelling uncertainty of the spatial predictions, the estimated local and global accuracy/reliability of the predictions will determine the quality and applicability of the results.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Demands on spatial soil information has been significant. More recently, in addition to increase, its nature is also changing. The range of data collected on soils, and the themes of the maps compiled based on them was determined by biomass production function of soils, which was earlier almost exclusively attributed to soils. The functions of soil - as environmental element – however are essentially richer, mostly due to its boundary layer location; they characterize soil’s roles in sustaining life and protecting environment from various aspects. The functions providing transformation, storage, filtration, supply, restoration etc. cover numerous matter and energy exchange processes. As a conditionally renewing natural resource, the functions of soils may become damaged due to various natural and mainly anthropogenic reasons, consequently their continuous spatio-temporal follow-up is exceptionally important. The demands related to these, more general services and multi-functionality of soils have reached a critical level very recently concerning their fulfilling with spatial information. Quantitative soil science and mainly modern soil mapping are expected to provide solutions for this challenge. Elaboration of proper methods is the subject of state of the art research. As a consequence, the elaboration of spatial predictions for specific soil functions and processes, together with the related modelling of their uncertainty, planned in the frame of our research, are promising numerous novelties both on national and international level. The quantified, spatial description of specific, formerly non-mapped soil functions and processes, even supplemented with its expectable accuracy, will provide valuable information (spatial data) directly to the activity of researchers and decision makers. Furthermore, it will serve indirectly the wider society by the support and maintenance of soil functions and services for and within the frames of sustainable development.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The soil is the outermost, fertile layer of the earth’s crust, located in the intersection of atmosphere, hydrosphere, lithosphere and biosphere. It is the substance of their interactions and active or passive element of numerous environmental processes. The functions of soil - as environmental element, mostly due to its boundary layer location- characterize soil’s roles in sustaining life and protecting environment from various aspects. Accurate, up-to-date spatial information is required by land users, policy makers, decision makers as well as modelling community. Fortunately, this demand coincides with the huge technological development, which has recently started and is still in progress in the field of soil related data collection and in the elaboration of the connecting spatial predictions, namely in modern soil mapping. In the frame of our research we plan to elaborate digital soil mapping procedures based on applied mathematical and GI methods. By their assistance specific, formerly non-mapped soil functions and processes will be spatially characterized with high accuracy and reliability. During our work we will devote stressful role to the assessment of uncertainty hidden in the spatial modelling methods to be developed. Up-to-date spatial characterization of the targeted features of soil cover will provide strategically important support for numerous challenges and tasks of agriculture, environment and nature protection as well as spatial planning (assignment and evaluation of agri-environmental programs, irrigation, land evaluation, yield forecasting, land use change, water management, environmental risk management, assessment of ecosystem services etc.).
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| BOZÁN, CS., TAKÁCS, K., KÖRÖSPARTI, J., LABORCZI, A., TÚRI, N. & PÁSZTOR, L.: Integrated Spatial Assessment of Inland Excess Water Hazard on the Great Hungarian Plain, LAND DEGRADATION AND DEVELOPMENT 29:(12) pp. 4373-4386, 2018; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/ldr.3187, 2018 | | SZATMÁRI, G. & PÁSZTOR, L.: Comparative examination of various uncertainty modelling approaches based on geostatistics and machine learning algorithms, GEODERMA, (https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.09.008)., 2018 | | PÁSZTOR, L., LABORCZI, A., TAKÁCS, K., SZATMÁRI, G., BAKACSI, ZS., SZABÓ, J. & ILLÉS, G.: DOSoReMI as the national implementation of GlobalSoilMap for the territory of Hungary, In: Arrouays, D., Savin, I., Leenaars, J., McBratney, A. B (Eds.) GlobalSoilMap - Digital Soil Mapping from Country to Globe, CRC Press, London, pp. 17-22., 2018 | | WALTNER, I., PÁSZTOR, L., CENTERI, CS., TAKÁCS, K., PIRKÓ, B., KOÓS, S. & LÁSZLÓ P.: Evaluating the new soil erosion map of Hungary – a semi‐quantitative approach, LAND DEGRADATION & DEVELOPMENT 29:(4) pp. 1295-1302.; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ldr.2916, 2018 | | PÁSZTOR, L., LABORCZI, A., SZATMÁRI, G., TAKÁCS, K. & KOÓS S.: A talajtulajdonság térképeken túl; talajfunkciók és szolgáltatások digitális térképezésének lehetőségei, In: Molnár V. (szerk.) Az elmélet és a gyakorlat találkozása a térinformatikában IX. Debreceni Egyetemi Kiadó, pp. 279-284., 2018 | | TÓTH, B., SZATMÁRI, G., TAKÁCS, K., LABORCZI, A., MAKÓ, A., RAJKAI, K., PÁSZTOR, L.:: Mapping soil hydraulic properties using random forest based pedotransfer functions and geostatistics, manuscript under open discussion and review for the journal Hydrology and Earth System Sciences (HESS), 2019 | | BOZÁN, CS., TAKÁCS, K., KÖRÖSPARTI, J., LABORCZI, A., TÚRI, N. & PÁSZTOR, L.: Integrated Spatial Assessment of Inland Excess Water Hazard on the Great Hungarian Plain, LAND DEGRADATION AND DEVELOPMENT 29:(12) pp. 4373-4386, 2018 | | SZATMÁRI, G. & PÁSZTOR, L.: Comparison of various uncertainty modelling approaches based on geostatistics and machine learning algorithms., GEODERMA, 337: 1329-1340, 2019 | | WALTNER, I., PÁSZTOR, L., CENTERI, CS., TAKÁCS, K., PIRKÓ, B., KOÓS, S. & LÁSZLÓ P.: Evaluating the new soil erosion map of Hungary – a semi‐quantitative approach, LAND DEGRADATION & DEVELOPMENT 29:(4) pp. 1295-1302, 2018 | | PÁSZTOR, L., LABORCZI, A., SZATMÁRI, G., TAKÁCS, K. & KOÓS S.: A talajtulajdonság térképeken túl; talajfunkciók és szolgáltatások digitális térképezésének lehetőségei, In: Molnár V. (szerk.) Az elmélet és a gyakorlat találkozása a térinformatikában IX. Debreceni Egyetemi Kiadó, pp. 279-284, 2018 | | Szabó, B., SZATMÁRI, G., TAKÁCS, K., LABORCZI, A., MAKÓ, A., RAJKAI, K., PÁSZTOR, L.:: Mapping soil hydraulic properties using random forest based pedotransfer functions and geostatistics, HYDROLOGY AND EARTH SYSTEM SCIENCES, 23: (6) 2615-2635, 2019 | | SZATMÁRI, G., PIRKÓ, B., KOÓS, S., LABORCZI, A., BAKACSI, ZS., SZABÓ, J., PÁSZTOR, L.: Spatio-temporal assessment of topsoil organic carbon stock change in Hungary, SOIL & TILLAGE RESEARCH, 195, 2019 | | BAKACSI, ZS., TÓTH, T., MAKÓ, A., BARNA, GY., LABORCZI, A., SZABÓ, J., SZATMÁRI, G., PÁSZTOR, L.: National level assessment of soil salinization and structural degradation risks under irrigation, HUNGARIAN GEOGRAPHICAL BULLETIN, 68: (2) 141-156, 2019 | | NÉGYESI, G., LÓKI, J., BURÓ, B., BERTALAN-BALÁZS, B., PÁSZTOR, L.: Wind erosion researches in Hungary – past, present and future possibilities, Hungarian Geographical Bulletin 68: (3) 223-240, 2019 | | NÉGYESI G.: Mezővédő Fásítások Tér- És Időbeli Változásának Vizsgálata a Nyírségben – a Szélerózió Szemszögéből, Tájökológiai Lapok 16 (2): 113-128, 2018 | | NÉGYESI, G., LÓKI, J., BURÓ, B., BERTALAN-BALÁZS, B., PÁSZTOR, L.: Wind erosion researches in Hungary – past, present and future possibilities, HUNGARIAN GEOGRAPHICAL BULLETIN 68: (3) 223-240, 2019 | | Laborczi A, Bozán Cs, Kőrösparti J, Szatmári G, Kajári B, Túri N, Kerezsi Gy, Pásztor L: Application of Hybrid Prediction Methods in Spatial Assessment of Inland Excess Water Hazard, ISPRS INTERNATIONAL JOURNAL OF GEO-INFORMATION 2020: (9) p. 4., 2020 | | Pásztor László, Laborczi Annamária, Takács Katalin, Illés Gábor, Szabó József, Szatmári Gábor: Progress in the elaboration of GSM conform DSM products and their functional utilization in Hungary, GEODERMA REGIONAL 21: e00269, 2020 | | Waltner István, Saeidi Sahar, Grósz János, Centeri Csaba, Laborczi Annamária, Pásztor László: Spatial Assessment of the Effects of Land Cover Change on Soil Erosion in Hungary from 1990 to 2018, ISPRS INTERNATIONAL JOURNAL OF GEO-INFORMATION 9: (11) 667, 2020 | | Kocsis M, Dunai A, Makó A, Farsang A, Mészáros J: Estimation of the drought sensitivity of Hungarian soils based on corn yield responses, JOURNAL OF MAPS, 16:2, 148-154, 2020 | | Koós S, Pirko B, Szatmári G, Csathó P, Magyar M, Szabó J, Fodor N, Pásztor L, Laborczi A, Pokovai K, Szabó A: Influence of the shortening of the winter fertilization prohibition period in Hungary assessed by spatial crop simulation analysis, SUSTAINABILITY (revised version submitted), 2020 | | Koós S, Pirko B, Szatmári G, Csathó P, Magyar M, Szabó J, Fodor N, Pásztor L, Laborczi A, Pokovai K, Szabó A: Influence of the shortening of the winter fertilization prohibition period in Hungary assessed by spatial crop simulation analysis, Sustainability 2021, 13(1), 417, 2021 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
